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GPS時鐘系統(tǒng)輸出及應(yīng)用

作者： 時間：2012-03-01 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
TEXT-TRANSFORM: none; COLOR: rgb(0,0,0); TEXT-INDENT: 0px; PADDING-TOP: 0px; WHITE-SPACE: normal; LETTER-SPACING: normal; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); orphans: 2; widows: 2; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">　　眾所周知，計算機的時鐘一般都采用石英晶體振蕩器。晶振體連續(xù)產(chǎn)生一定頻率的時鐘脈沖，計數(shù)器則對這些脈沖進(jìn)行累計得到時間值。由于時鐘振蕩器的脈沖受環(huán)境溫度、勻載電容、激勵電平以及晶體老化等多種不穩(wěn)定性因素的影響，故時鐘本身不可避免地存在著誤差。例如，某精度為±20ppm的時鐘，其每小時的誤差為：(1×60×60×1000ms)×(20/10.6)=72ms，一天的累計誤差可達(dá)1.73s;若其工作的環(huán)境溫度從額定25℃變?yōu)?5℃，則還會增加±25ppm的額外誤差。可見，DCS中的時鐘若不經(jīng)定期同步校準(zhǔn)，其自由運行一段時間后的誤差可達(dá)到系統(tǒng)應(yīng)用所無法忍受的程度。

　　隨著晶振制造技術(shù)的發(fā)展，目前在要求高精度時鐘的應(yīng)用中，已有各種高穩(wěn)定性晶振體可供選用，如TCXO(溫度補償晶振)、VCXO(壓控晶振)、OCXO(恒溫晶振)等。

　　3.2 時鐘同步誤差

　　如果對類似于TXP的時鐘同步方式進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)時鐘在自上而下的同步過程中產(chǎn)生的DCS的絕對對時誤差可由以下三部分組成：

　　3.2.1 GPS時鐘與衛(wèi)星發(fā)射的UTC(世界協(xié)調(diào)時)的誤差

　　這部分的誤差由GPS時鐘的精度所決定。對1PPS輸出，以脈沖前沿為準(zhǔn)時沿，精度一般在幾十ns至1μs之間;對IRIG-B碼和RS-232串行輸出，如以中科院國家授時中心的地鐘產(chǎn)品為例，其同步精度以參考碼元前沿或起始相對于1PPS前沿的偏差計，分別達(dá)0.3μs和0.2ms。

　　3.2.2 DCS主時鐘與GPS時鐘的同步誤差

　　DCS網(wǎng)絡(luò)上的主時鐘與GPS時鐘通過“硬接線”方式進(jìn)行同步。一般通過DCS某站點內(nèi)的時鐘同步卡接受GPS時鐘輸出的標(biāo)準(zhǔn)時間編碼、硬件。例如，如在接受端對RS-232輸出的ASCII碼字節(jié)的發(fā)送延遲進(jìn)行補償，或?qū)RIG-B編碼采用碼元載波周期計數(shù)或高頻銷相的解碼卡，則主時鐘與GPS時鐘的同步精度可達(dá)很高的精度。

　　3.2.3 DCS各站點主從時鐘的同步誤差

　　DCS主時鐘與各站點從時鐘通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步，其間存在著時鐘報文的發(fā)送時延、傳播時延、處理時延。表現(xiàn)在：(1)在主時鐘端生成和發(fā)送時間報文時，內(nèi)核協(xié)議處理、操作系統(tǒng)對同步請求的調(diào)用開銷、將時間報文送至網(wǎng)絡(luò)通信接口的時間等;(2)在時間報文上網(wǎng)之前，還必須等待網(wǎng)絡(luò)空閑(對以太網(wǎng))，遇沖突還要重發(fā);(3)時間報文上網(wǎng)后，需一定時間通過DCS網(wǎng)絡(luò)媒介從主時鐘端傳送到子時鐘端(電磁波在光纖中的傳播速度為2/3光速，對DCS局域網(wǎng)而言，傳播時延為幾百ns，可忽略不計);(4)在從時鐘端的網(wǎng)絡(luò)通信接口確認(rèn)是時間報文后，接受報文、記錄報文到達(dá)時間、發(fā)出中斷請求、計算并校正從時鐘等也需要時間。這些時延或多或少地造成了DCS主從時鐘之間、從從時鐘之間的時間同步誤差。

　　當(dāng)然，不同網(wǎng)絡(luò)類型的DCS、不同的時鐘通信協(xié)議和同步算法，可使網(wǎng)絡(luò)對時的同步精度各不相同，上述分析只是基于一般原理上探討。事實上，隨著人們對網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)的不懈研究，多種復(fù)雜但又高效、高精確的時鐘同步協(xié)議和算法相繼出現(xiàn)并得到實際應(yīng)用。例如，互聯(lián)網(wǎng)上廣為采用的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)在DCS局域網(wǎng)上已能提供±1ms的對時精度(如GE的ICS分散控制系統(tǒng))，而基于IEEE1588的標(biāo)準(zhǔn)精確時間協(xié)議(Standard Precision Time Protocol，PTP)能使實時控制以太網(wǎng)上的主、從時鐘進(jìn)行亞微秒級同步。

　　四、時鐘精度與SOE設(shè)計

　　雖然DCS的普通開關(guān)量掃描速率已達(dá)1ms，但為滿足SOE分辨率≤1ms的要求，很長一段時間內(nèi)，人們都一直都遵循這樣的設(shè)計方法，即將所有SOE點置于一個控制器之下，將事件觸發(fā)開關(guān)量信號以硬接線接入SOE模件，其原因就在于不同控制器其時鐘存在著一定的誤差。關(guān)于這一點，西門子在描述其TXP系統(tǒng)的FUN B模件分散配置的工程實際情況來看，由于時鐘不能同步而無法做到1ms SOE分辯率，更有甚至因時鐘相差近百ms，造成SOE事件記錄順序的顛倒。

　　那么，如何既能滿足工程對于SOE分散設(shè)計的要求(如設(shè)置了公用DCS后，機組SOE與公用系SOE應(yīng)分開，或希望進(jìn)入控制器的MFT、ETS的跳閘信號無需經(jīng)輸出再返至SOE模件就能用于SOE等)，又不過分降低SOE分辨率呢?通過對DCS產(chǎn)品的分析不難發(fā)現(xiàn)，通常采用的辦法就是將控制器



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